Как работает газопоршневая установка: принцип действия

По принципу действия он схож с обычным автомобильным двигателем, но рассчитан на непрерывную работу в промышленных условиях и значительно большую мощность — от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт.

Любая ГПУ включает несколько ключевых узлов:

Газопоршневой двигатель — основа установки. Это двигатель внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, работающий по четырёхтактному циклу Отто. Именно здесь химическая энергия газа превращается в механическое вращение вала.

Электрический генератор — установлен на одной раме с двигателем и соединён с ним через муфту. Преобразует вращение вала в электрический ток.

Система подачи газа — включает фильтры, регуляторы давления, электромагнитные клапаны и счётчик расхода. Обеспечивает стабильную подачу топлива нужного давления и состава.

Система охлаждения — отводит тепло от двигателя через контур охлаждающей жидкости. В когенерационных установках это тепло не рассеивается, а используется для нужд объекта.

Система зажигания — электронный блок управления, катушки и свечи зажигания. Обеспечивает точный момент воспламенения смеси в каждом цилиндре.

Система управления и автоматики — контроллер, датчики температуры, давления, числа оборотов и уровня детонации. В реальном времени следит за всеми параметрами работы и управляет агрегатом без участия оператора.

Четыре такта: как двигатель превращает газ в электричество

Рабочий цикл газопоршневого двигателя состоит из четырёх последовательных тактов:

1. Впуск. Поршень движется вниз, впускной клапан открыт. В цилиндр поступает смесь природного газа с воздухом.

2. Сжатие. Поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Газовоздушная смесь сжимается — давление и температура резко возрастают.

3. Рабочий ход (сгорание). В момент максимального сжатия свеча зажигания поджигает смесь. Газы стремительно расширяются и толкают поршень вниз с большой силой. Это и есть полезная работа — механическая энергия передаётся на коленчатый вал.

4. Выпуск. Поршень движется вверх, выпускной клапан открыт. Отработанные газы вытесняются из цилиндра в выпускной тракт.

Цикл повторяется непрерывно во всех цилиндрах. Их синхронная работа обеспечивает равномерное вращение коленвала. Через муфту это вращение передаётся на ротор генератора.

Как вырабатывается электроэнергия

Ротор генератора вращается внутри статора с обмотками. По закону электромагнитной индукции в обмотках возникает переменный электрический ток. Система управления поддерживает стабильную частоту вращения — 1000 или 1500 об/мин в зависимости от модели, — что обеспечивает стандартную частоту тока 50 Гц.

Выработанная электроэнергия подаётся через кабельные линии на генераторное распределительное устройство, а оттуда — к потребителям. Напряжение на выходе — 400 В, 6300 В или 10 500 В в зависимости от исполнения установки.

Куда уходит тепло

В процессе работы двигатель выделяет значительное количество тепловой энергии через три источника:

• выхлопные газы с температурой 400–550 °C,
• систему охлаждения двигателя (охлаждающая жидкость 80–95 °C),
• масляный контур.

В простой схеме это тепло рассеивается в атмосферу через радиатор и выхлопную трубу. В когенерационной схеме оно утилизируется: теплообменники снимают тепло и направляют его в тепловые сети объекта — для отопления, горячего водоснабжения или технологических нужд.

Именно когенерация позволяет поднять суммарный КПД установки с 40–46% (только электричество) до 85–90% (электричество плюс тепло). Остальное — неизбежные потери в виде излучения и конвекции.

На каком газе работает ГПУ

Каждая установка при заказе настраивается под конкретный вид газа — под него подбираются степень сжатия, настройки системы зажигания и регуляторы подачи топлива. Основное и наиболее распространённое топливо — природный газ из магистрального трубопровода.

В зависимости от условий объекта установки могут быть заказаны под другие виды газа:

• попутный нефтяной газ (APG) — для объектов нефтегазовой отрасли,
• коксовый газ (CG) — для металлургических предприятий,
• промышленный газ (FG) — ферросплавный, доменный и другие,
• биогаз (BG) и свалочный газ (LFG) — для объектов переработки отходов,
• сжиженный газ (SPG) — при отсутствии магистрального трубопровода.

При использовании нестандартного топлива обязателен предварительный анализ состава газа: метановое число, теплотворная способность, содержание серы и сероводорода.

Преимущество ComeRiver — минимальный дирейт. У большинства производителей при переходе на нестандартные газы мощность установки снижается на 10–30% от номинала. Установки ComeRiver сохраняют заявленную мощность на всех поддерживаемых видах топлива — это подтверждается единой мощностной характеристикой во всех моделях линейки независимо от типа газа.

Автоматика и управление

Современные ГПУ не требуют постоянного присутствия оператора. Система автоматического управления в реальном времени контролирует все параметры:

• давление и расход газа,
• температуру двигателя и охлаждающей жидкости,
• частоту вращения вала,
• уровень детонации в цилиндрах,
• параметры вырабатываемой электроэнергии (напряжение, частота, нагрузка).

При выходе любого параметра за допустимые пределы система автоматически снижает нагрузку или останавливает агрегат, фиксируя причину аварийного останова. При параллельной работе нескольких ГПУ контроллер обеспечивает их синхронизацию и равномерное распределение нагрузки.

Контейнерное и стационарное исполнение

Контейнерное — установка вместе со вспомогательными системами размещается в 20- или 40-футовом контейнере. Внутри уже проведены освещение, вентиляция, система пожаротушения и кабельные вводы. Для запуска достаточно подключить газ и электрику — это существенно сокращает сроки монтажа.

Стационарное — ГПУ устанавливается в капитальном здании или блочно-модульном корпусе. Применяется при постоянной эксплуатации и более высоких требованиях к шумоизоляции.

Итог

Газопоршневая установка работает по тому же принципу, что и любой двигатель внутреннего сгорания: газ сгорает, толкает поршень, поршень вращает вал, вал вращает генератор. Главное отличие промышленной ГПУ — высокая надёжность при непрерывной работе, возможность утилизировать тепло и адаптироваться к разным видам газового топлива.

«ГенМастер» поставляет газопоршневые установки ComeRiver мощностью от 600 до 4000 кВт на агрегат с возможностью параллельной работы под любую нагрузку.

Оставьте заявку на comeriver.ru или позвоните: +7 (495) 545-46-35